DE10149733A1

DE10149733A1 - Method and device for producing an electroplating layer on a substrate surface

Info

Publication number: DE10149733A1
Application number: DE10149733A
Authority: DE
Inventors: Konrad Koeberle; Josef Weber
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-10-09
Filing date: 2001-10-09
Publication date: 2003-04-24
Also published as: US20040020779A1; FR2830538B1; JP2003119590A; FR2830538A1

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen einer Galvanikschicht mit definierter räumlicher Ausdehnung auf einer elektrisch leitfähigen Substratfläche mit beliebig geformter Kontur beschrieben. Dabei wird ein Elektrolytstrahl von einer Düse auf das Substrat aufgebracht, wobei ein Strom zwischen der Düse und der Substratfläche im wesentlichen über den Elektrolytstrahl fließt. Die Vorrichtung ist mit einer Pumpe zum Fördern eines Elektrolyten aus einem Elektrolytreservoir zur Düse und zum Erzeugen des auf die Substratfläche gerichteten Elektrolytstrahles versehen. Darüber hinaus weist die Vorrichtung einen Reaktor auf, in welchem das zu beschichtende Substrat sowie die Düse angeordnet sind. Das Substrat und die Düse sind mit einer Gleichstromquelle verbunden, und eine Anordnung des Substrates und der Düse im Reaktor ist während des Beschichtungsprozesses veränderbar.A method and a device for producing an electroplating layer with a defined spatial extent on an electrically conductive substrate surface with an arbitrarily shaped contour are described. An electrolyte jet is applied from a nozzle to the substrate, a current between the nozzle and the substrate surface essentially flowing over the electrolyte jet. The device is provided with a pump for conveying an electrolyte from an electrolyte reservoir to the nozzle and for generating the electrolyte jet directed onto the substrate surface. In addition, the device has a reactor in which the substrate to be coated and the nozzle are arranged. The substrate and the nozzle are connected to a direct current source, and an arrangement of the substrate and the nozzle in the reactor can be changed during the coating process.

Description

State of the art

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen einer Galvanikschicht mit definierter räumlicher Ausdehnung auf einer elektrisch leitfähigen Substratfläche. The invention relates to a method and a device for producing a galvanic layer with a defined spatial expansion on an electrically conductive Substrate surface.

Allgemein werden galvanisch erzeugte Schichten, die präzise auf einem begrenzten Bereich einer Substratfläche aufgebracht werden, als partielle Präzisionsschichten bezeichnet. Die in ihrer räumlichen Ausdehnung begrenzten Galvanikschichten werden dadurch erzeugt, daß ein Stromfluß in einem Elektrolyten zwischen einer Anode und dem zu beschichtenden Substrat durch Blenden in bekannter Weise gezielt beeinflußt wird. Generally, electroplated layers are precise on a limited area of a substrate surface be applied as partial precision layers designated. The limited in their spatial extent Electroplating layers are produced in that a current flow in an electrolyte between an anode and the coating substrate by blending in a known manner is deliberately influenced.

Weiter ist es bei einer sogenannten Maskentechnik vorgesehen, die zu beschichtende Substratfläche z. B. mit einem Fotolack zu versehen, der in diesem Bereich einen Stromfluß zwischen der Anode und dem Substrat verhindert und einen Niederschlag von Beschichtungsmaterial unterbindet. It is also a so-called mask technique provided that the substrate surface to be coated z. B. with a To provide photoresist, the current flow in this area prevented between the anode and the substrate and a Precipitation of coating material is prevented.

Die bekannten Vorrichtungen, in welchen die galvanischen Beschichtungsprozesse ablaufen, weisen jedoch den Nachteil auf, daß diese auf die geometrische Form des jeweils zu beschichtenden Substrats zugeschnitten sind und die Beschichtung eines anderen Substrates bzw. Bauteiltyps einen Wechsel oder Umbau der Vorrichtung erfordert. Die Fixierung der Vorrichtungen zum Herstellen einer Galvanikschicht auf Substraten mit bestimmter räumlicher Ausgestaltung macht den Beschichtungsprozeß unflexibel, und eine Schichtdicke der partiellen Präzisionsschichten kann durch Verändern der Prozeßparameter des Beschichtungsprozesses jeweils nur in ihrer Gesamtheit beeinflußt werden. The known devices in which the galvanic Coating processes run, but have the disadvantage on that to the geometric shape of each coating substrate are tailored and the Coating another substrate or component type Change or modification of the device required. The fixation of the Devices for producing an electroplating layer Substrates with a certain spatial design makes that Coating process inflexible, and a layer thickness of partial precision layers can be changed by changing the Process parameters of the coating process only in be influenced in their entirety.

Dies führt nachteilhafterweise dazu, daß mit aus der Praxis bekannten Vorrichtungen und Verfahren zum Herstellen einer Galvanikschicht auf einer Substratfläche im wesentlichen eine Konturschicht mit konstanter Schichtdicke aufgebracht werden kann, wobei eine Oberflächenkontur der Substratfläche durch die galvanische Konturschicht identisch abgebildet wird und eine Profilschicht, welche in ihrer räumlichen Ausdehnung eine variable Schichtdicke aufweist, nur mit erheblichem apparativen Aufwand erzeugt werden kann. This leads disadvantageously to the fact that from practice known devices and methods for producing a Electroplating layer on a substrate surface essentially applied a contour layer with a constant layer thickness can be, with a surface contour of the The substrate surface is identical due to the galvanic contour layer is shown and a profile layer, which in its spatial Expansion has a variable layer thickness, only with considerable outlay on equipment can be generated.

Aus der DE 197 36 340 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen von Galvanikschichten auf elektrisch leitfähigen Substraten bekannt. Die Vorrichtung ist zur Herstellung einheitlich unstrukturierter als auch strukturierter Galvanikschichten vorgesehen, wobei strukturierte Galvanikschichten mit dem vorgestellten Verfahren herstellbar sind. DE 197 36 340 A1 describes a device and a Process for producing electroplated layers on electrical conductive substrates known. The device is for Manufacturing uniformly unstructured as well structured galvanic layers are provided, with structured Electroplating layers with the presented method are producible.

Die Vorrichtung der DE 197 36 340 A1 weist eine Wanne für den Elektrolyten auf, in welchen die Halterung für das Substrat und die an die Spannungsquelle angeschlossene Anode eintauchen. Die Halterung ist aus einem zylindrischen Gehäuse mit zwei offenen Enden und einem Verschluß zusammengesetzt, welcher auf das eine Gehäuseende aufgeschraubt werden kann, das dabei verschlossen wird. Das Innere des Gehäuses besteht aus drei konzentrisch angeordneten zylindrischen Abschnitten. Um eine ausreichende Bewegung des Elektrolyten über der Metallschicht bzw. dem Substrat zu gewährleisten, ist ein Rührer vorgesehen. Alternativ hierzu kann es aber auch vorgesehen sein, daß der Elektrolyt aus dem Gehäuse abgesaugt wird, wodurch die gewünschte Bewegung des Elektrolyten, die zum Ausgleich von Konzentrationsgefällen im Elektrolyten vorgesehen wird, hergestellt wird. The device of DE 197 36 340 A1 has a tub for the electrolyte, in which the holder for the Substrate and the anode connected to the voltage source plunge. The bracket is made of a cylindrical Housing with two open ends and a closure assembled, which is screwed onto one end of the housing can be closed in the process. The inside of the Housing consists of three concentrically arranged cylindrical sections. To ensure adequate movement of the Electrolytes over the metal layer or the substrate ensure a stirrer is provided. Alternatively but it can also be provided that the electrolyte is sucked off the housing, creating the desired movement of the electrolyte, which is used to balance Differences in concentration provided in the electrolyte is produced.

Zur Herstellung einer strukturierten Galvanikschicht auf der elektrisch leitfähigen Substratfläche wird zunächst auf der einseitig metallisierten dielektrischen Substratfläche ein photolithographisch oder mittels Excimer-Laserablation aufgebrachtes Maskenmuster aus einem polymeren Lack aufgebracht, das mit dem Negativ der herzustellenden strukturierten Galvanikschicht identisch ist. Zwischen dem Rührer und der Substratoberfläche ist ein Netz angeordnet, welches zur Erzeugung einer strukturierten Galvanikschicht mit gleichmäßiger Dicke vorgesehen ist. To produce a structured electroplating layer the electrically conductive substrate surface is first on the one-sided metallized dielectric substrate surface a photolithographically or by means of excimer laser ablation applied mask pattern from a polymeric lacquer applied that with the negative of the manufactured structured electroplating layer is identical. Between the stirrer and a network is arranged on the substrate surface, which to create a structured electroplating layer with uniform thickness is provided.

Diese aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung weist jedoch den Nachteil auf, daß vor der Erzeugung einer strukturierten Galvanikschicht das zu beschichtende Substrat bzw. dessen Oberfläche oder die Umgebung des Substrates, d. h. die Vorrichtung selbst, entsprechend der zu erzeugenden Schicht vorbereitet werden muß. Diese Vorbereitung entspricht dem Auftragen eines Fotolackes oder der Anordnung entsprechender Blenden zum Führen des Stromfeldes innerhalb des Elektrolyten. Derartige prozeßvorbereitende Herstellschritte sind jedoch sehr aufwendig und erhöhen die Fertigungskosten der beschichteten Substrate bzw. Bauteile. This device known from the prior art has however, the disadvantage that before generating a structured electroplating layer the substrate to be coated or its surface or the surroundings of the substrate, d. H. the device itself, according to the generating layer must be prepared. This preparation corresponds to the application of a photoresist or the arrangement appropriate panels for guiding the current field within of the electrolyte. Such preparatory However, manufacturing steps are very complex and increase the Manufacturing costs of the coated substrates or components.

Advantages of the invention

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, daß auf eine elektrisch leitfähige Substratfläche mit beliebig geformter Kontur Galvanikschichten aufgebracht werden können, die als Konturschicht oder als Profilschicht ausgebildet sind, ohne aufwendige prozeßvorbereitende Fertigungsschritte vorzusehen. The inventive method with the features of Compared to claim 1 has the advantage that on an electrically conductive substrate surface with any shaped contour galvanic layers are applied can be used as a contour layer or as a profile layer are trained without complex preparatory processes To provide manufacturing steps.

Dies wird dadurch erreicht, daß auf die Substratfläche ein Elektrolytstrahl aufgebracht wird, ein Strom zwischen einer Düse und dem Substrat im wesentlichen über den Elektrolytstrahl fließt und eine Anordnung der Düse und der Substratfläche während des Beschichtungsprozesses veränderbar ist, so daß zur Herstellung von strukturierten Kontur- als auch Profilgalvanikschichten Maßnahmen zur Maskierung der Bauteile bzw. der Substratflächen oder eine Anordnung von Blenden oder Netzen nicht erforderlich sind, da eine Beschichtung im wesentlichen nur im Bereich der Substratfläche erfolgt, auf welchen der Elektrolytstrahl auftrifft. This is achieved in that on the substrate surface Electrolyte beam is applied, a current between one Nozzle and the substrate essentially over the Electrolyte jet flows and an arrangement of the nozzle and the Substrate area is changeable during the coating process, so that for the production of structured contour as well Profile electroplating measures for masking the Components or the substrate surfaces or an arrangement of Apertures or nets are not required as one Coating essentially only in the area of There is a substrate surface on which the electrolyte beam strikes.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, das eine "Jet- Beschichtungstechnik" darstellt, ist eine in hohem Maße bauteilunabhängige Beschichtung von Substraten und eine schnelle Anpassung an neue Verhältnisse möglich, wodurch im Vergleich zu bekannten Beschichtungstechniken, wie beispielsweise der Maskentechnik und/oder der Blendentechnik, die Jet-Beschichtungstechnik eine wesentlich höhere Flexibilität aufweist. With the method according to the invention, which is a "jet Coating technology "is one to a high degree component-independent coating of substrates and a quick adaptation to new conditions possible, which in Comparison to known coating techniques, such as for example mask technology and / or aperture technology, the jet coating technology a much higher Has flexibility.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 17 weist den Vorteil auf, daß jede beliebige Kontur eines zu beschichtenden Substrates bzw. dessen Oberfläche ohne Umbau der Vorrichtung nachgebildet werden kann und nahezu jede gewünschte Form einer Galvanikschicht auf dem Substrat aufgebracht werden kann. The inventive device with the features of Claim 17 has the advantage that any Contour of a substrate to be coated or its Surface can be reproduced without having to modify the device and almost any desired form of electroplating layer can be applied to the substrate.

Dazu ist die Vorrichtung zum Herstellen einer Galvanikschicht mit definierter räumlicher Ausdehnung auf einer elektrisch leitfähigen Substratfläche mit beliebig geformter Kontur mit einer Pumpe zum Fördern eines Elektrolyten aus einem Elektrolytreservoir zu einer Düse und zum Erzeugen eines auf die Substratfläche gerichteten Elektrolytstrahles, mit einem Reaktor, in welchem das zu beschichtende Substrat sowie die Düse angeordnet sind, und mit einer Gleichstromquelle, die mit dem Substrat und der Düse verbunden ist, versehen. Darüber hinaus ist eine Anordnung der Düse und/oder des Substrats während des Beschichtungsprozesses in dem Reaktor veränderbar, so daß der Elektrolytstrahl bzw. die Düse ähnlich einem Stift in Bezug auf die Substratfläche führbar ist. So ist die Galvanikschicht auf den gewünschten Bereichen der Substratfläche mit einer bestimmten Kontur oder mit einem bestimmten Profil aufbringbar. For this purpose, the device for producing a Electroplating layer with a defined spatial extent on one electrically conductive substrate surface with any shaped contour with a pump for pumping an electrolyte from an electrolyte reservoir to a nozzle and to Generate one directed at the substrate surface Electrolyte beam, with a reactor in which the Coating substrate and the nozzle are arranged, and with a DC power source that works with the substrate and the nozzle is connected. In addition, an arrangement of Nozzle and / or the substrate during the Coating process in the reactor changeable so that the Electrolyte jet or the nozzle similar to a pen in relation to the Substrate surface is feasible. So the electroplating layer is on the desired areas of the substrate surface with a certain contour or with a certain profile be applied.

Darüber hinaus ist von Vorteil, daß Substrate mit beliebiger Oberflächenkontur, wie beispielsweise rotationssymmetrische Körper, Substrate mit Rillen bzw. Vertiefungen, aber auch ebene Platten, mit einer Galvanikschicht auf einfache Art und Weise versehen werden können. Dabei ist es besonders vorteilhaft, daß bei einem Wechsel des Substrattyps ein Umbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht erforderlich ist, da jede beliebige Oberflächenkontur mit der Düse abgefahren werden kann. Unter dem Begriff "Substrattyp" ist im vorliegenden Zusammenhang jeweils eine unterschiedliche geometrische Ausgestaltung des zu beschichtenden Substrates zu verstehen. It is also advantageous that substrates with any surface contour, such as rotationally symmetrical bodies, substrates with grooves or depressions, but also flat plates with an electroplated layer can be provided in a simple manner. It is particularly advantageous that when changing A conversion of the device according to the invention is not a substrate type is required because any surface contour with the Nozzle can be moved. Under the term In the present context, “substrate type” is in each case one different geometric design of the to understand the coating substrate.

Weitere Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen. Further advantages and developments of the invention result itself from the description, the drawing and the Claims.

Zeichnungdrawing

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Herstellen einer Galvanikschicht auf einer Substratfläche ist in der Zeichnung schematisch vereinfacht gezeigt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen An embodiment of the device according to the invention for the production of an electroplating layer on a The substrate area is shown schematically simplified in the drawing and is explained in more detail in the following description. Show it

Fig. 1 ein Verfahrensfließbild einer Vorrichtung bzw. Anlage zum Herstellen einer Galvanikschicht auf einer Substratfläche; 1 shows a process flow diagram of a device or system for producing an electroplating layer on a substrate surface;

Fig. 2 eine Düse und ein Substrat, wobei das Substrat mit einem Elektrolytstrahl beaufschlagt wird, welcher einen Freistrahl darstellt; Fig. 2, illustrating a nozzle and a substrate, wherein the substrate is acted upon by an electrolyte jet has a free jet;

Fig. 3 die Düse und das Substrat gemäß Fig. 2, wobei der Elektrolytstrahl ein Tauchstrahl ist; FIG. 3 shows the nozzle and the substrate according to FIG. 2, the electrolyte jet being an immersion jet;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Substrates, auf welchem eine örtlich begrenzte Galvanikschicht aufgebracht ist, wobei in der rechten Darstellung eine Superposition von galvanisch erzeugten Einzelspots dargestellt ist; und Fig. 4 is shown wherein a superposition of galvanically produced single spots in the right illustration, a schematic illustration of a substrate on which a localized electroplating layer is applied; and

Fig. 5 eine Gegenüberstellung einer auf einem Substrat aufgebrachten Profilschicht und einer auf einem Substrat aufgebrachten Konturschicht. Fig. 5 is a comparison of an applied on a substrate layer and a profile applied to a substrate layer contour.

Description of the embodiment

In der Fig. 1 ist eine Vorrichtung 1 zum Herstellen einer Galvanikschicht mit definierter räumlicher Ausdehnung auf einer elektrisch leitfähigen Substratfläche 2 gezeigt, welche eine Pumpe 3 zum Fördern eines Elektrolyten 4 aus einem Elektrolytreservoir 5 zu einer Düse 6 und zum Erzeugen eines auf die Substratfläche 2 gerichteten Elektrolytstrahles 7 aufweist. Weiter umfaßt die Vorrichtung 1 einen Reaktor 8, in welchem das zu beschichtende Substrat 9 sowie die Düse 6 angeordnet sind, wobei das Substrat 9 und die Düse 6 jeweils mit einer Gleichstromquelle 10 verbunden sind. In FIG. 1, an apparatus 1 is shown for producing a galvanic layer having a defined spatial extent on an electrically conductive substrate surface 2, which is a pump 3 for conveying an electrolyte 4 from an electrolyte reservoir 5 to a nozzle 6 and for generating a to the substrate surface 2 directed electrolyte beam 7 . The device 1 further comprises a reactor 8 in which the substrate 9 to be coated and the nozzle 6 are arranged, the substrate 9 and the nozzle 6 each being connected to a direct current source 10 .

Der Reaktor 8 weist einen Schutzbehälter 11 und eine in dem Schutzbehälter angeordnete Substrathalterung 12 bzw. Werkstückhalterung auf. Weiter ist zwischen der Düse 6 und der Pumpe 3 ein Ventil 13 zum Steuern einer Fördermenge des Elektrolyten 4 vorgesehen. Parallel zu einer Verbindungsleitung 14 zwischen der Pumpe 3 und dem Ventil 13 ist eine Leitung 15 vorgesehen, welche ausgehend von dem Elektrolytreservoir 5 in der Verbindungsleitung 14 vor dem Ventil 13 mündet und mit einem weiteren Ventil 16 versehen ist. Damit ist die Fördermenge des Elektrolyten 4 zur Düse 6 über das Ventil 13 und das weitere Ventil 16 sowie über die Pumpenförderleistung der Pumpe 3 einstellbar. The reactor 8 has a protective container 11 and a substrate holder 12 or workpiece holder arranged in the protective container. Furthermore, a valve 13 for controlling a delivery rate of the electrolyte 4 is provided between the nozzle 6 and the pump 3 . In parallel to a connecting line 14 between the pump 3 and the valve 13 , a line 15 is provided which, starting from the electrolyte reservoir 5, opens into the connecting line 14 in front of the valve 13 and is provided with a further valve 16 . The delivery rate of the electrolyte 4 to the nozzle 6 can thus be adjusted via the valve 13 and the further valve 16 and via the pump delivery rate of the pump 3 .

Der Schutzbehälter 11 ist über eine weitere Verbindungsleitung 17 mit dem Elektrolytreservoir 5 verbunden, wobei die weitere Verbindungsleitung 17 über ein Sperrventil 18 sperrbar ist und zum Rückführen des Elektrolyten 4 in das Elektrolytreservoir 5 vorgesehen ist. The protective container 11 is connected to the electrolyte reservoir 5 via a further connecting line 17 , the further connecting line 17 being able to be blocked via a check valve 18 and being provided for returning the electrolyte 4 to the electrolyte reservoir 5 .

Um eine einwandfreie Funktionsweise der Vorrichtung 1 zu gewährleisten, ist das Elektrolytreservoir 5 mit einer Einrichtung 19 zum Temperieren des Elektrolyten 4 ausgestaltet, so daß der Beschichtungsprozeß im wesentlichen unabhängig von den Umgebungstemperaturen ist. Unterhalb des Reaktors 1 und des Elektrolytreservoirs 5 ist eine Auffangwanne 20 angeordnet, um bei eventuellen Leckagen des Reaktors 8, des Elektrolytreservoirs 5 und des Leitungssystemes der Vorrichtung 1 aus dem geschlossenen System austretende Elektrolytströme aufzufangen und eine Kontaminierung der Umgebung mit Elektrolyten, die eventuell gesundheits- und umweltbelastende Substanzen enthalten, zu vermeiden. In order to ensure proper functioning of the device 1 , the electrolyte reservoir 5 is designed with a device 19 for tempering the electrolyte 4 , so that the coating process is essentially independent of the ambient temperatures. A collecting trough 20 is arranged below the reactor 1 and the electrolyte reservoir 5 in order to collect electrolyte flows escaping from the closed system in the event of any leakages in the reactor 8 , the electrolyte reservoir 5 and the line system of the device 1 and to contaminate the surroundings with electrolytes which may be harmful to health. and contain environmentally harmful substances.

Die Vorrichtung 1 ist derart ausgestaltet, daß diese in einem sogenannten Freistrahlbetrieb oder in einem sogenannten Tauchstrahlbetrieb betrieben werden kann. The device 1 is designed such that it can be operated in a so-called free jet mode or in a so-called submerged jet mode.

Während des Freistrahlbetriebs der Vorrichtung 1 gemäß der Darstellung in Fig. 2 sind die in dem Schutzbehälter 11 angeordnete Düse 6 und das Substrat 9 nicht in den Elektrolyt 4 eingetaucht. Der von der Düse 6 ausgehende Elektrolytstrahl 7 wird im leeren Schutzbehälter 11 als Freistrahl auf das Substrat 9 aufgebracht. Dabei weist der Elektrolytstrahl 7 einen dem Düsendurchmesser entsprechenden Durchmesser auf, der sich mit zunehmendem Abstand von der Düse 6 nur geringfügig vergrößert. Im Bereich eines Auftreffpunktes 21 auf der Substratfläche 2 fließt der Elektrolyt 4 auf der Substratfläche 2 nach "außen" weg, d. h. radial vom Elektrolytstrahl 7 nach außen, und sammelt sich im Bodenbereich des Schutzbehälters 11. Von dort aus fließt der Elektrolyt 4 über die weitere Verbindungsleitung 17 in das Elektrolytreservoir 5 zurück, wobei das Sperrventil 18 geöffnet ist. During the free jet operation of the device 1 as shown in FIG. 2, the nozzle 6 arranged in the protective container 11 and the substrate 9 are not immersed in the electrolyte 4 . The electrolyte jet 7 emerging from the nozzle 6 is applied to the substrate 9 as a free jet in the empty protective container 11 . The electrolyte jet 7 has a diameter corresponding to the nozzle diameter, which increases only slightly as the distance from the nozzle 6 increases. In the area of a point of impingement 21 on the substrate surface 2 of the electrolyte 4 to flow on the substrate surface 2 to the "outside" way, ie, radially from the electrolyte beam 7 to the outside, and collects in the bottom portion of the protective container. 11 From there, the electrolyte 4 flows back into the electrolyte reservoir 5 via the further connecting line 17 , the shutoff valve 18 being opened.

Während des Tauchstrahlbetriebs der Vorrichtung 1 ist das Sperrventil 18 geschlossen, so daß der Elektrolyt 4 im Schutzbehälter 11 aufgestaut ist und über einen Überlauf 22 zu dem Elektrolytreservoir 5 zurückgeführt wird. Das bedeutet, daß im Tauchstrahlbetrieb der Vorrichtung 1 das Substrat 9 sowie die Düse 6 in dem Elektrolyten 4 eingetaucht sind bzw. der Schutzbehälter 11 vollständig mit dem Elektrolyten 4 befüllt ist und der Elektrolytstrahl 7 als Strömungsfaden in dem Elektrolyten 4 ausgebildet ist. Dabei verbreitert sich der Elektrolytstrahl 7 mit zunehmendem Abstand von der Düse 6, d. h. sein Durchmesser vergrößert sich zunehmend. Von einem Auftreffbereich 21 auf der Substratfläche 2 strömt der Elektrolytstrahl 7 radial auswärtsgerichtet auf der Substratfläche 2 ab. During the immersion jet operation of the device 1 , the shut-off valve 18 is closed, so that the electrolyte 4 is dammed up in the protective container 11 and is returned to the electrolyte reservoir 5 via an overflow 22 . This means that the substrate 9 and the nozzle 6 are immersed in the electrolyte 4 or the protective container 11 is completely filled with the electrolyte 4 and the electrolyte jet 7 is designed as a flow thread in the electrolyte 4 in the immersion jet operation of the device 1 . The electrolyte jet 7 widens with increasing distance from the nozzle 6 , ie its diameter increases increasingly. The electrolyte beam 7 flows radially outward on the substrate surface 2 from an impingement region 21 on the substrate surface 2 .

Der Verlauf des Elektrolytstrahles 7 während des Freistrählbetriebs sowie während des Tauchstrahlbetriebs der Vorrichtung 1 ist in Fig. 2 bzw. 3 stark schematisiert dargestellt. Aus diesen Prinzipdarstellungen geht hervor, daß der Auftreffbereich des Elektrolytstrahles 7 im Freistrahlbetrieb der Vorrichtung 1 einen geringeren Durchmesser aufweist als im Tauchstrahlbetrieb. The course of the electrolyte jet 7 during the free jet operation and during the immersion jet operation of the device 1 is shown in a highly schematic manner in FIGS. 2 and 3. From these basic representations it can be seen that the impingement area of the electrolyte jet 7 has a smaller diameter in the free jet mode of the device 1 than in the immersion jet mode.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Galvanikschicht mit definierter räumlicher Ausdehnung auf einer Substratfläche mit beliebig geformter Kontur wird im wesentlichen die Düse 6 auf eine elektrisch leitende bzw. metallische Oberfläche des Substrates 9 gerichtet. Durch die Düse 6 strömt der Elektrolyt 4 als Flüssigkeitsstrahl aus und trifft auf die zu beschichtende Substratfläche 2 bzw. eine Oberfläche eines Werkstücks. Die Düse 6 ist dabei als Elektrode ausgebildet, so daß der elektrische Strom über den Elektrolyten 4 bzw. den Elektrolytstrahl 7 auf das Substrat 9 fließen kann und eine Metallabscheidung auf einem eng begrenzten Bereich um den Auftreffbereich 21 bzw. den Staupunkt des Elektrolytstrahls 7 bewirkt wird. In the method according to the invention for producing an electroplating layer with a defined spatial extent on a substrate surface with an arbitrarily shaped contour, the nozzle 6 is essentially directed onto an electrically conductive or metallic surface of the substrate 9 . The electrolyte 4 flows out through the nozzle 6 as a liquid jet and strikes the substrate surface 2 to be coated or a surface of a workpiece. The nozzle 6 is designed as an electrode so that the electrical current can flow via the electrolyte 4 or the electrolyte jet 7 onto the substrate 9 and metal deposition is effected in a narrowly limited area around the impingement area 21 or the stagnation point of the electrolyte jet 7 ,

Der Beschichtungspunkt wird vorliegend als Spot 25 bezeichnet, wobei der Durchmesser dieses Spots 25 durch die Strömungsform, den Düsendurchmesser des Elektrolytstrahls, die Strömungsgeschwindigkeit des Elektrolytstrahls 7 sowie den Abstand zwischen der Düse 6 und dem Substrat 9 bestimmt wird. Unter der Strömungsform des Elektrolytes 4 ist hierbei zu verstehen, ob der Elektrolyt 4 auf der Substratfläche 2 in Form eines Tauchstrahles oder eines Freistrahles aufgebracht wird. The coating point is referred to in the present case as spot 25 , the diameter of this spot 25 being determined by the flow shape, the nozzle diameter of the electrolyte jet, the flow velocity of the electrolyte jet 7 and the distance between the nozzle 6 and the substrate 9 . The flow shape of the electrolyte 4 is to be understood here as to whether the electrolyte 4 is applied to the substrate surface 2 in the form of an immersion jet or a free jet.

Eine Veränderung bzw. Vergrößerung des lotrechten Abstandes der Düse 6 von der Substratfläche 2 bewirkt, daß das Schichtprofil zunehmend flacher wird und der Durchmesser des Spots 25 zunimmt, wobei dieser Trend im Freistrahlbetrieb markanter als im Tauchstrahlbetrieb ausgeprägt ist. A change or enlargement of the vertical distance of the nozzle 6 from the substrate surface 2 causes the layer profile to become increasingly flat and the diameter of the spot 25 to increase, this trend being more pronounced in free jet mode than in submerged jet mode.

Eine Höhe des Spots 25 bzw. der Beschichtung wird in Abhängigkeit einer Zeit, während der Strom zwischen der Düse 6 und der Substratfläche 2 fließt, eingestellt. Ein weiterer Parameter des Beschichtungsprozesses, der die Höhe des Spots 25 beeinflußt, ist die Höhe der aufgebrachten Stromstärke, wobei eine größere Stromstärke eine verstärkte Abscheidung bewirkt, die Höhe des Spots 25 größer ist und der Durchmesser des Spots 25 im wesentlichen gleich bleibt. A height of the spot 25 or the coating is set as a function of a time during which the current flows between the nozzle 6 and the substrate surface 2 . Another parameter of the coating process that affects the height of the spot 25 is the amount of current applied, a larger current causing increased deposition, the height of the spot 25 being greater, and the diameter of the spot 25 remaining substantially the same.

Fig. 4 zeigt in schematischer Darstellung das Substrat 9, welches mit einem Spot 25 beschichtet ist. Um eine flächige Ausdehnung einer Galvanikschicht auf der Substratfläche 2zu erzeugen, werden mehrere einzelne Spots 25 aneinander gereiht. Zur Erzeugung einer Profilschicht werden mehrere Spots 25 einander überlagert, wobei die Überlagerung als Superposition bezeichnet wird. Fig. 4 shows a schematic representation of the substrate 9, which is coated with a spot 25th In order to produce a flat expansion of an electroplating layer on the substrate surface 2 , several individual spots 25 are lined up. To create a profile layer, a plurality of spots 25 are superimposed on one another, the superimposition being referred to as a superposition.

Um eine Superposition durchzuführen, ist es vorgesehen, das zu beschichtende Werkstück bzw. das Substrat 9 und/oder die Düse 6 während des Beschichtungsprozesses zu bewegen, so daß auf einfache Art und Weise eine Konturschicht oder eine Profilschicht auf dem Substrat 9 erzeugt werden kann. Damit kann auf eine herkömmliche Masken- und Blendentechnik zur gezielten Beschichtung einer Substratfläche verzichtet werden. Darüber hinaus entfallen vorbereitende Fertigungsschritte, wie beispielsweise das Aufbringen einer Lackschicht auf der Substratfläche 2 oder ein Umbau einer Beschichtungsvorrichtung. In order to carry out a superposition, it is provided to move the workpiece to be coated or the substrate 9 and / or the nozzle 6 during the coating process, so that a contour layer or a profile layer can be produced on the substrate 9 in a simple manner. This means that there is no need for a conventional mask and diaphragm technique for the targeted coating of a substrate surface. In addition, preparatory manufacturing steps, such as the application of a lacquer layer on the substrate surface 2 or a modification of a coating device, are omitted.

Durch Bewegung des Substrates 9 oder der Düse 6 kann eine Veränderung eines lotrechten Abstandes zwischen diesen erfolgen, um beispielsweise auf der Substratfläche 2 eine in der Fig. 5 dargestellte Profilschicht 23 auszubilden. Des weiteren kann die Bewegung der Düse und/oder des Substrates 9 zur Veränderung des Auftreffbereiches 21 des Elektrolytstrahles auf der Substratfläche 2 erfolgen, so daß auf der Substratfläche eine Konturschicht mit gleichbleibender Schichtdicke erzeugt wird. By moving the substrate 9 or the nozzle 6 , a perpendicular distance between them can be changed, for example to form a profile layer 23 shown in FIG. 5 on the substrate surface 2 . Furthermore, the movement of the nozzle and / or the substrate 9 to change the impingement area 21 of the electrolyte beam on the substrate surface 2 can take place, so that a contour layer with a constant layer thickness is produced on the substrate surface.

Selbstverständlich liegt es hiervon abweichend im Ermessen des Fachmannes, die einzelnen Bewegungen der Düse 6 und des Substrates 9 kombiniert auszuführen. Das bedeutet, daß der lotrechte Abstand zwischen der Düse 6 und der Substratfläche 2 und auch der Auftreffbereich 21 des Elektrolytstrahles 7 auf der Substratfläche 2 in geeigneter Weise verändert wird. Damit kann auf der Substratfläche 2 eine Galvanikschicht präzise und mit definierter räumlicher Ausdehnung aufgebracht werden, die mit einer beliebig geformten Kontur ausgeführt ist. Eine derartige Konturschicht 24 ist in der rechten Darstellung der Fig. 5 gezeigt, wobei die Konturschicht 24 eine konstante Schichtdicke aufweist und die Oberflächenkontur des Substrates 9 durch die Konturschicht 24 identisch abgebildet ist. Of course, it deviates from this at the discretion of the person skilled in the art to carry out the individual movements of the nozzle 6 and the substrate 9 in a combined manner. This means that the vertical distance between the nozzle 6 and the substrate surface 2 and also the area of incidence 21 of the electrolyte jet 7 on the substrate surface 2 are changed in a suitable manner. In this way, an electroplating layer can be applied to the substrate surface 2 precisely and with a defined spatial extent, which is designed with an arbitrarily shaped contour. Such a contour layer 24 is shown in the right-hand illustration of FIG. 5, the contour layer 24 having a constant layer thickness and the surface contour of the substrate 9 being imaged identically by the contour layer 24 .

Zum Bewegen der Düse 6 und des Substrates 9 ist jeweils eine Verfahreinheit für die Düse 6 und das Substrat 9 bzw. die Substrathalterung 12 vorgesehen. Die Verfahreinheit ist vorliegend nicht näher in der Zeichnung dargestellt und kann als ein Roboter, ähnlich wie in der Lackiertechnik, ausgebildet sein. Mit dieser Ausgestaltung der Vorrichtung 1 besteht die Möglichkeit, mit der Düse in Nuten oder anderen Vertiefungen der Substratfläche 2 einzufahren und dort eine Galvanikschicht mit gewünschter Kontur oder gewünschtem Profil zu erzeugen. Ein möglicher Anwendungsfall stellt hier beispielsweise eine Beschichtung von Bauteilen eines Ventiles dar. Dabei ist es denkbar, auf einer Sitzfläche eines Ventilstößels einen Ring am Tellerrand aufzubringen, so daß dieser nur am Rand und nicht im gesamten Bereich des Tellers am Ventilsitz aufliegt. To move the nozzle 6 and the substrate 9 , a travel unit is provided for the nozzle 6 and the substrate 9 or the substrate holder 12 . The moving unit is not shown in the present drawing and can be designed as a robot, similar to painting technology. With this configuration of the device 1, it is possible to insert the nozzle into grooves or other depressions in the substrate surface 2 and to produce an electroplating layer there with the desired contour or desired profile. A possible application here is, for example, a coating of components of a valve. It is conceivable to apply a ring on the seat rim of a seat surface of a valve tappet, so that it rests only on the edge and not in the entire area of the plate on the valve seat.

Mit der vorliegenden Jet-Beschichtungstechnik, bei der eine Metallschicht in Form eines Spots 25 durch Auftreffen des Elektrolytstrahles 7 auf der Substratfläche 2 abgeschieden wird, können beliebige strukturierte galvanische Schichten als Kontur- oder Profilschicht auf einer Substratfläche erzeugt werden, da die Beschichtung im Auftreffbereich 21 in Form des Spots 25 selbst im Freistrahlbetrieb der Vorrichtung 1 nicht mit Luft oder Sauerstoff in Berührung kommt. Dadurch wird eine Entstehung einer passiven Oberflächenschicht auf der bereits aufgetragenen Metallschicht vermieden, weil über den Spot 25 permanent ein Flüssigkeitsfilm bzw. ein Elektrolytfilm strömt. Aus diesem Grund besteht die Möglichkeit, auf einem abgeschiedenen Spot 25 weitere Spots aufzubauen oder daneben anzuordnen, wobei die einzeln aufgebrachten Spots untereinander eine feste Verbindung aufbauen. With the present jet coating technique, in which a metal layer in the form of a spot 25 is deposited by striking the electrolyte beam 7 on the substrate surface 2 , any structured galvanic layers can be produced as a contour or profile layer on a substrate surface, since the coating in the impact region 21 in the form of the spot 25 does not come into contact with air or oxygen even in the free jet mode of the device 1 . This prevents the formation of a passive surface layer on the metal layer that has already been applied, because a liquid film or an electrolyte film flows permanently over the spot 25 . For this reason, it is possible to build 25 additional spots on a separated spot or to arrange them next to one another, the individually applied spots establishing a firm connection with one another.

Verschiedene Meßreihen haben ergeben, daß im Freistrahlbetrieb der Vorrichtung 1 hohe und mit kleinem Durchmesser ausgebildete Spots 25 auf der Substratfläche 2 erzeugt werden. Im Tauchstrahlbetrieb der Vorrichtung 1 werden flachere mit größerem Durchmesser ausgebildete Spots 21 auf der Substratfläche 2 erzeugt, da sich der Elektrolytstrahl 7 aufgrund des höheren Strömungswiderstandes durch den den Elektrolytstrahl 7 umgebenden Elektrolyten 4 mit zunehmendem Abstand von der Düse 6 verbreitert. Various series of measurements have shown that, in the free-jet mode of the device 1, high and small-diameter spots 25 are produced on the substrate surface 2 . In immersion jet operation of the device 1 flatter formed with a larger diameter spots 21 are formed on the substrate surface 2, since the electrolyte jet 7 7 surrounding electrolyte 4 widens due to the higher flow resistance through the electrolyte jet with increasing distance from the nozzle. 6

Auch im Tauchstrahlbetrieb der Vorrichtung 1 fließt der Strom von der als Anode ausgebildeten Düse 6 über den Elektrolytstrahl 7 zu dem Substrat 9, da in dem den Elektrolytstrahl 7 umgebenden Elektrolyt 4 ein zu hoher elektrischer Widerstand vorliegt. Die Stromstärke ist im Beschichtungsprozeß bzw. im Tauchstrahlbetrieb der Vorrichtung 1 zweckmäßig derart eingestellt, daß eine Abscheidung von Metall auf der Substratfläche 2 lediglich im Staupunkt des Elektrolytstrahles 7 erfolgt. Das bedeutet, daß nur im Nahbereich der Düse 6 der Elektrolyt 4 bzw. der Elektrolytstrahl 7 einen derart geringen Widerstand aufweist, daß die Abscheideschwelle überschritten wird und weiter entfernte Punkte der Substratfläche 2 unterhalb der Abscheideschwelle liegen. Also in the immersion jet operation of the device 1, the current flows from the anode formed as a nozzle 6 through the electrolyte jet 7 to the substrate 9, as in the electrolyte beam 7 surrounding electrolyte 4 present a too high electrical resistance. The current intensity is expediently set in the coating process or in the immersion jet mode of the device 1 such that metal is deposited on the substrate surface 2 only at the stagnation point of the electrolyte jet 7 . This means that only in the vicinity of the nozzle 6 does the electrolyte 4 or the electrolyte jet 7 have such a low resistance that the deposition threshold is exceeded and points of the substrate surface 2 which are further away lie below the deposition threshold.

Bei der aufgebrachten Galvanikschicht handelt es sich vorliegend z. B. um eine Chromschicht oder eine Kupferschicht. Es ist aber selbstverständlich möglich, bedarfsweise mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und einer entsprechenden Vorrichtung auch andere Metallschichten auf einem Substrat aufzubringen. The applied electroplating layer is present z. B. around a chrome layer or a copper layer. But it is of course possible, if necessary with the inventive method and a corresponding Device also other metal layers on a substrate applied.

Um mehrere Spots in einem Arbeitsgang herstellen zu können, kann die Vorrichtung 1 mit mehreren Düsen zur Erzeugung mehrerer Elektrolytstrahlen ausgebildet sein, die in beliebiger Art und Weise in dem Schutzbehälter des Reaktors angeordnet sein können und auch über die Verfahreinheit unabhängig voneinander in Bezug auf das Substrat bewegbar ausgeführt sein können. In order to be able to produce a plurality of spots in one work step, the device 1 can be designed with a plurality of nozzles for generating a plurality of electrolyte jets, which can be arranged in any manner in the protective container of the reactor and also independently of one another with respect to the substrate via the displacement unit can be made movable.

Claims

1. A method for producing an electroplating layer with a defined spatial extent on an electrically conductive substrate surface ( 2 ) with an arbitrarily shaped contour, an electrolyte jet ( 7 ) being applied from a nozzle ( 6 ) to the substrate surface ( 2 ) and a current between the nozzle ( 6 ) and the substrate surface ( 2 ) essentially flows over the electrolyte jet ( 7 ), an arrangement of the nozzle and the substrate surface being changeable during the coating process.

2. The method according to claim 1, characterized in that the electrolyte jet ( 7 ) is a free jet.

3. The method according to claim 1, characterized in that the electrolyte jet ( 7 ) is a submerged jet.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that parameters of the coating process are provided such that a coating of the substrate surface (2) takes place essentially in the region of the stagnation point of the electrolytic beam (7) on the substrate surface (2).

5. The method according to claim 4, characterized in that a diameter of the coated area ( 25 ) depending on the diameter of the nozzle ( 6 ) and / or depending on the flow rate of the electrolyte ( 4 ) and / or depending on a vertical distance between the Nozzle ( 6 ) and the substrate surface ( 2 ) is set.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that a height of the coating ( 25 ) as a function of a time during which the current flows between the nozzle ( 6 ) and the substrate surface ( 2 ) and / or as a function of the current intensity is set.

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the nozzle ( 6 ) and / or the substrate ( 9 ) is moved during the coating.

8. The method according to claim 7, characterized in that the movement of the nozzle ( 6 ) and / or the substrate ( 9 ) for changing the vertical distance between them takes place, the vertical distance being changed in particular such that on the substrate surface ( 2nd ) a profile layer ( 23 ) is generated.

9. The method according to claim 7, characterized in that the movement of the nozzle ( 6 ) and / or the substrate ( 9 ) for changing the impact area ( 21 ) of the electrolyte jet ( 7 ) on the substrate surface ( 2 ), wherein the impact area ( 21 ) is changed in particular in such a way that a contour layer ( 24 ) is generated on the substrate surface ( 2 ).

10. The method according to claim 7, characterized in that the movement of the nozzle ( 6 ) and / or the substrate ( 9 ) to change the vertical distance between them and to change the impact area ( 21 ) of the electrolyte jet ( 7 ) on the substrate surface ( 2 ) is done.

11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized characterized that several electrolyte jets are simultaneously applied to the substrate surface.

12. Device for producing an electroplating layer with a defined spatial extent on an electrically conductive substrate surface ( 2 ) with an arbitrarily shaped contour, comprising a pump ( 3 ) for conveying an electrolyte ( 4 ) from an electrolyte reservoir ( 5 ) to a nozzle ( 6 ) and for generating an electrolyte jet ( 7 ) directed onto the substrate surface ( 2 ), a reactor ( 8 ) in which the substrate ( 9 ) to be coated and the nozzle ( 6 ) are arranged, and a direct current source ( 10 ) connected to the substrate ( 9 ) and the nozzle ( 6 ) is connected, wherein an arrangement of the nozzle ( 6 ) and / or the substrate ( 9 ) in the reactor ( 8 ) can be changed.

13. The apparatus according to claim 12, characterized in that the reactor ( 8 ) has a protective container ( 11 ) and a substrate holder ( 12 ) arranged in the protective container ( 11 ).

14. The apparatus according to claim 12 or 13, characterized in that between the nozzle ( 6 ) and the pump ( 3 ) a valve ( 13 ) for controlling a delivery rate of the electrolyte ( 4 ) is provided.

15. The apparatus according to claim 13 or 14, characterized in that the protective container ( 11 ) is connected to the electrolyte reservoir ( 5 ) and this connection can be blocked via a check valve ( 18 ).

16. The apparatus according to claim 15, characterized in that is opened in a free air flow, the check valve (18) and is closed in an immersion jet operation the check valve (18), wherein the electrolyte (4) is accumulated in the diving beam operating in a protective container (11) and an overflow ( 22 ) is returned to the electrolyte reservoir ( 5 ).

17. Device according to one of claims 12 to 16, characterized in that the electrolyte reservoir ( 5 ) is provided with a device ( 19 ) for tempering the electrolyte ( 4 ).

18. Device according to one of claims 13 to 17, characterized in that the nozzle ( 6 ) and / or the substrate holder ( 12 ) with a controlled displacement device for guiding the nozzle ( 6 ) and / or the substrate holder ( 12 ) during the coating process are provided.